碼索引調制技術研究

高　進，張　彭，楊樹偉

（濰坊學院 計算機工程學院，山東　濰坊　261061）

碼索引調制技術研究

高進，張彭，楊樹偉

（濰坊學院 計算機工程學院，山東濰坊261061）

文章主要介紹了一種新型高速率、高性能的調制技術。碼索引調制技術是建立在直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）調制基礎之上的，與傳統的DS-SS相比較，該調制技術能夠用較低的能耗實現較高的數據傳輸速率。在發送端，信息比特流被分為兩個比特（bit，信息量最小單位）為一個獨立的模塊。對于每個模塊來說，當第二個比特選擇這個被使用的代碼時，僅有第一個比特被兩個發送代碼中的一個所發送。接收端會估算這兩個碼字并傳送比特。在文章中會分析比較碼索引調制擴頻系統（Code Index Modulation Spread Spectum，CIM-SS）系統和傳統DS-SS系統的性能。

碼索引；調制技術；CIM；高傳輸速率

1　概述

實現無線通信頻譜的最佳利用是無線通信研究的一個最基本目標。這是由于數據率的需求隨著網絡設備數量的增加和無線服務的質量的提高以及種類的增多而增長的。并且，無線技術正在被各種各樣新的場景利用，如低耗能特性被用在無線體域網和無線傳感器網絡。所以，本文介紹的新技術可以實現未來無線技術的高數據率和高能效性。例如，在有足夠的帶寬和高能效的條件下連續相位調制（Continue Phase Modulation，CPM）是一個恒定包絡數字調制技術。

本文提出了一種新的方案，命名為擴頻碼方案。在不增加額外的計算復雜度的前提下提高數據傳輸速率。這個新的系統，即被命名為碼索引調制擴頻系統（CIM-SS），可以結合多入多出技術（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）或者SM（System Management）系統得到更高的吞吐量。它的數據被映射為擴頻碼以及星座圖符號。特別是對于每一對比特，一個比特作為擴頻碼傳輸，另外一個比特為第一個比特選擇擴頻碼，作為信息部分正常被傳輸。在接收端，擴頻碼首先被接收并且解調恢復出發送端的原始信號。在這種簡潔工作方式下，只需要有一半的比特在物理信道上傳輸，另外的一半被映射為擴頻碼。所以，CIM-SS在保持簡單易實現的基礎上，提高了吞吐量，并且降低了能量損耗。并且，擴頻調制系統的優點在CIM-SS系統中仍然有效。由于篇幅限制以及性能分析比較復雜，文章討論了加性高斯白噪聲信道下CIM-SS系統的誤碼率以及與多進制差分相移鍵控（Quadrature Differential Phase Shift Keying）SS-QPSK系統的比較，在后續論文中會給出具體的仿真結果。

2　CIM-SS系統模型

CIM-SS系統模型的發射端采用QPSK和DS-SS。如圖1所示，信息比特｛-1，+1｝，在I相位和Q相位中被分配并且每兩個比特被分為一個塊。因為I相位和Q相位的組成是相似的，所以接下來的討論中以I相位為例來進行研究，Q相位的研究跟I相位的研究是一樣的。

在I相位中，對于塊SI，i=（a1，i，a2，i），第一個比特a1，i與一個擴頻碼字相乘，這個擴頻碼字是由a2，i來決定的。由于a2，i有兩個值（例如a2，i∈｛-1，+1｝），如果a2，i=1，則乘以W1（t）；如果a2，i=-1，則乘以W2（t）。之所以選擇Walsh碼作為擴頻碼，是因為其具有良好的正交性。由此可以得出，發送端I相位的CIM-SS信號e1（t）為：

其中N是傳輸快的數量，Wa2，i，k∈｛W1，k，W2，k｝是周期為Tc，長度為L的Walsh碼序列，f0為載波周期，p（t）是幅度為［0， Tc］的脈沖整形濾波器。每傳輸一個a1，i，就包含一個映射的a2，i作為擴頻碼。與SS-QPSK系統相比較，CIM-SS系統在同樣的帶寬上傳輸了兩倍的數據速率，并且節約了一半的傳輸能量。

接收到的I相位信號包含兩個部分，一是擴頻碼部分，其公式如下：

其中n（t）是均值為0，方差為 N0/2的加性高斯白噪聲，在基帶信號恢復和抽樣之后，相關器用來獲取擴頻碼。接收到的抽樣信號的每一部分都與相應的Walsh碼相乘，然后在持續比特LTc期間相加。可以得到第一個分支I1，i為：

相關器輸出的絕對值與接收到的以Di=|I1，i|－|I2，i|為決策變量并且由a2，i映射決定的Walsh碼相對照的。通過比較器這部分分量被判斷出來，并且這部分分量被用來恢復傳輸比特a1，i，通過信號相關器的輸出端輸出。這兩個比特被恢復可以表示為：

Di＞0，a2，i=1，且a1，i=信號（I1，i）

Di≤0，a2，i=-1，且a1，i=信號（I2，i）（5）

其中這里使用相關器輸出的絕對值是因為使用絕對值更容易實現，且比使用兩個閾值檢查具有更好的性能。CIMSS系統的性能分析在下一部分中給予論證。

圖1　CIM-SS系統模型

3　CIM系統BER分析

該系統總的BER（比特誤差率，Bit Error Rate） PT等于傳輸部分的BER Peb與映射部分的BER Pec的和，由于有一個傳輸比特a1，i就會有一個對應的映射比特a2，i，所以CIM-SS系統總的誤比特率PT可表示為：

從公式（5）可以得出，發送比特a1，i的錯誤取決于比較器的判斷并且有兩種不同的情況可產生誤碼。第一種情況是在擴頻碼傳檢測中沒有發生錯誤，但是a1，i被判斷成誤碼。第二種情況是在檢測中檢測到一個因為a1，i錯誤而檢測成的誤碼。所以Peb為：

可推導得：

在AWGN信道中CIM-SS系統總的BER可通過在公式（6）中代入（9）獲得。

4　結語

本文提出了一種新的能夠實現高速傳輸速率以及高能效的擴頻通信系統。提出該種方案的初衷是應用擴頻碼與傳輸信息比特之間的映射，達到提高傳輸速率的目的。在研究過程中發現，該方案與SS-QPSK系統相比，能在節約50%的能量的同時使傳輸速率提高一倍。通過推導可知，CIM-SS系統的誤比特率同樣優于SS-QPSK系統。由于篇幅以及時間的關系，后續的相關仿真會進一步展開以進一步驗證本文的結論。

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［4］D TSE， P VISWANATH. Fundamentals of Wireless Communication［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2005.

Research on code index modulation technology

Gao Jin， Zhang Peng， Yang Shuwei
（Computer Engineering College of Weifang University， Weifang 261061， China）

This article mainly introduces a new type of modulation technology with high speed rate and high performance.The index code modulation technique is based on direct sequence spread spectrum（DS-SS）modulation， compared with the conventional DS-SS， the modulation technique is able to achieve higher data transmission rate with lower energy consumption.At the sending end， the information bit stream is divided into two bits（bit， the smallest unit of the amount of information）as a separate module.For each module， when the second bit chooses the used code， only the First bit is transmitted by one of the two sent code.The receiveing end will estimate the two codewords and transmit the bit. The article will analyze and compare the performance of CIM-SS system and traditional DS-SS system.

code index； modulation technology； CIM； high transmission rate

濰坊市科技發展計劃項目；項目編號：No.2014GX021。濰坊學院博士基金；項目編號：No.2014BS12。

高進（1985— ），女，山東濰坊，碩士，助教，；研究方向：無線通信抗干擾與編碼調制。